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論文

Rigorous formulation of space charge wake function and impedance by solving the three-dimensional Poisson equation

菖蒲田 義博; Chin, Y. H.*

Scientific Reports (Internet), 8, p.12805_1 - 12805_19, 2018/08

 被引用回数:0 パーセンタイル:100(Multidisciplinary Sciences)

空間電荷効果の計算はビームを2次元にスライスして、2次元ポアソン方程式を解いて求めるのが一般的である。これは、最初から電磁場のビームの縦方向への漏れの効果を無視した近似を使っている。同様な近似は空間電荷効果のインピーダンスの表記でも適応しており、この手法に従う限り、この近似の正当性は理解できない。そこで、我々は3次元ポアソン方程式を解くことでこの近似の正当性を調べた。これによって、ビームの縦方向のrmsサイズがチェンバーの半径より十分長ければ、この近似が有効であること。また、この適応条件下で2次元のポアソン方程式を適応するには、縦方向に2倍のrmsサイズの5分の1以下にスライスする必要があることが明らかとなった。空間電荷効果の計算は、J-PARCの加速器運転で重要な役割を果たしており、これが正確にできないとビームロスの評価にも影響を与える。今回の研究によって、2次元ポアソン方程式を解いて空間電荷効果を求めるという従来の手法が、J-PARCの陽子ビームの挙動評価に関しては正当化されることが明らかになった。

論文

Reducing the beam impedance of the kicker at the 3-GeV rapid cycling synchrotron of the Japan Proton Accelerator Research Complex

菖蒲田 義博; Chin, Y. H.*; 林 直樹; 入江 吉郎*; 高柳 智弘; 富樫 智人; 外山 毅*; 山本 風海; 山本 昌亘

Physical Review Accelerators and Beams (Internet), 21(6), p.061003_1 - 161003_15, 2018/06

 被引用回数:2 パーセンタイル:56.22(Physics, Nuclear)

J-PARCの3GeVシンクロトロン(RCS)は、物質生命科学研究施設(MLF)と50GeVシンクロトン(MR)にビームを供給しているが、MRへは横方向のビームサイズを小さくする必要がある。一方、RCSのビームは横方向のビームサイズが小さくなるに従って、ビームが不安定になるが、原因は、キッカー電磁石由来のビームのインピーダンスが大きいためである。今回、我々はそのRCSのキッカー電磁石のビームのインピーダンスを下げるために、キッカー電磁石の端末をダイオードと抵抗で終端する手法を開発した。しかし、この手法では、非線形素子(ダイオード)を使うため、定量的にビームのインピーダンスを評価することが難しい。本論文では、シミュレーションと測定でそれを評価できる手法について議論した。両者の結果はよく一致し、これによってキッカー電磁石のビームのインピーダンスが確かに低減できていることが確認できた。

論文

Simulation, measurement, and mitigation of beam instability caused by the kicker impedance in the 3-GeV rapid cycling synchrotron at the Japan Proton Accelerator Research Complex

Saha, P. K.; 菖蒲田 義博; 發知 英明; 原田 寛之; 林 直樹; 金正 倫計; 田村 文彦; 谷 教夫; 山本 昌亘; 渡辺 泰広; et al.

Physical Review Accelerators and Beams (Internet), 21(2), p.024203_1 - 024203_20, 2018/02

 被引用回数:5 パーセンタイル:26.29(Physics, Nuclear)

The transverse impedance of the extraction kicker magnets in the 3-GeV RCS of J-PARC is a strong beam instability source and it is one of the significant issue to realize 1 MW beam power as practical measures are yet to be implemented to reduce the impedance. In the present research realistic simulation by updating the simulation code to cope with all time dependent machine parameters were performed in order to study the detail of beam instability nature and to determine realistic parameters for beam instability mitigation. The simulation results were well reproduced by the measurements, and as a consequence an acceleration to 1 MW beam power has also been successfully demonstrated. To further increase of the RCS beam power up to 1.5 MW, beam instability issues and corresponding measures have also been studied.

論文

Resistive-wall impedances of a thin non-evaporable getter coating on a conductive chamber

菖蒲田 義博; Chin, Y. H.*

Progress of Theoretical and Experimental Physics (Internet), 2017(12), p.123G01_1 - 123G01_22, 2017/12

 被引用回数:2 パーセンタイル:64.9(Physics, Multidisciplinary)

J-PARCのRCS(Rapid-Cycling Synchrotron)の真空容器は ビームを不安定にしないように、内面をTiN(窒化チタン)でコーティングして電子雲の発生を抑制してある。以前、われわれがRCS用に考案したこのようなタイプの真空容器にビームが誘起する電磁場の計算手法は、TiN以外の抵抗性物質をコーティングした場合の他の加速器施設にも適用可能なものである。今回、われわれは、SLS-II (Swiss Light Source)の研究者と議論する機会があり、非蒸発性ゲッタ材料(NEG)の薄膜をコーティングした銅製の真空容器が作るビームの結合インピーダンス(電磁場)の性質について検討した。銅製の真空容器の肉厚の効果も考慮すると、ビームのもつ周波数が小さいうちは、ビームの結合インピーダンスに外界の大気の効果が現れるが、周波数が上がっていくにつれて、銅やNEGの効果が支配的になることがわかった。さらに、銅が支配的な領域からNEGが支配的な領域への遷移は、0.1-100GHzでゆっくりと起こり、100GHz付近で従来の理論とは著しく異なる結果が得られた。このような検討結果は、特にSLS-IIなどの電子型の加速器を設計するときの指針となることが期待される。

論文

Chromaticity effects on head-tail instabilities for broadband impedance using two particle model, Vlasov analysis, and simulations

Chin, Y. H.*; Chao, A. W.*; Blaskiewicz, M. M.*; 菖蒲田 義博

Physical Review Accelerators and Beams (Internet), 20(7), p.071003_1 - 071003_18, 2017/07

 被引用回数:2 パーセンタイル:66.31(Physics, Nuclear)

ビームが、加速器の構造物を通過すると電磁場(ウェイク)が立ち、それがビームに影響を及ぼす。今回は、短時間でウェイクが減衰する単バンチビームの不安定性の理論とシミュレーションの考察を行った。理論的アプローチには、ビームを2粒子で単純化した2粒子モデルとVlasov方程式を使ったより精密なものが知られている。ウェイクとして、ビームの内部だけ一定値をとる台形波を仮定すると、どちらの理論的アプローチでも、不安定なビームの振幅増大率は、ウェイクの強度とビームの色収差を共に無次元化した量のみの関数で一般的に記述できること証明し、理解を進めた。さらに、粒子シミュレーションでも裏付けをした。ウェイクを台形波で近似するのは、大胆に思われるが、一般のウェイクでもバンチ内に限れば、ほぼ台形的な振る舞いをする。実際、より複雑なLEPのインピーダンスモデルを入力にビーム振幅の増大率をVlasov方程式を解いて求めると、この台形波をフーリエ変換して求めたインピーダンスを入力にして求めたビーム振幅の増大率とほぼ同じ振る舞いをすることが確認できた。

論文

Coupled bunch instability and its cure at J-PARC RCS

菖蒲田 義博; Saha, P. K.; 發知 英明; 原田 寛之; 高柳 智弘; 田村 文彦; 谷 教夫; 富樫 智人; 外山 毅*; 渡辺 泰広; et al.

Proceedings of 8th International Particle Accelerator Conference (IPAC '17) (Internet), p.2946 - 2949, 2017/05

J-PARC RCSのような1MWの大強度のビームの生成を目指す加速器では、加速器の構成要素とビームは、電磁気的に相互作用(ビームの結合インピーダンス)をして、ビームが不安定になる。RCSでは、それがキッカーとの相互作用(キッカーインピーダンス)で起こることが明らかにされており、ビームを不安定にすることなく大強度のビームを達成する手法について研究がなされてきた。著者らは、最近、ビームのもつ空間電荷効果にはビームを安定化させる働きがあることを発見し、MLF行き用の横方向に大きい200$$pi$$mm.mradのエミッタンス のビームに対しては、1MWのビームを達成する手法を確立した。ところが、MR行き用の50$$pi$$mm.mradのエミッタンスの細いビームに関しては、この手法では、ビームを大強度化する上で限界がある。このレポートでは、このようなビームに対して、どのようにして大強度ビームを達成するか、その対策を議論する。また、現在のキッカーインピーダンス低減化対策の現状も報告する。

論文

Theoretical elucidation of space charge effects on the coupled-bunch instability at the 3 GeV Rapid Cycling Synchrotron at the Japan Proton Accelerator Research Complex

菖蒲田 義博; Chin, Y. H.*; Saha, P. K.; 發知 英明; 原田 寛之; 入江 吉郎*; 田村 文彦; 谷 教夫; 外山 毅*; 渡辺 泰広; et al.

Progress of Theoretical and Experimental Physics (Internet), 2017(1), p.013G01_1 - 013G01_39, 2017/01

AA2016-0375.pdf:3.07MB

 被引用回数:9 パーセンタイル:24.43(Physics, Multidisciplinary)

大強度のビームを加速すると、一般にビームは不安定になることが知られている。それは、周回中のビームと加速器の機器には電磁相互作用(ビームのインピーダンス)があるからである。ビームを不安定にならないようにするためには、ビームのインピーダンスが閾値を超えなければ良いことが分かっていて、それは、インピーダンスバジェットと呼ばれている。J-PARC 3GeVシンクロトロンは、キッカーというビームを蹴り出す装置がインピーダンスバジェットを破っていることが、建設初期の段階から明らかにされており、1MWビームの達成を阻害することが懸念されてきた。今回、ビームの構成粒子自身の電荷に由来する電磁相互作用(空間電荷効果)には、ビームを安定化させる効果があることを理論的に明らかにした。また、ビームのパラメータや加速器のパラメータを適切に選べば、J-PARC 3GeVシンクロトロンのような低エネルギーのマシーンでは、従来のインピーダンスバジェットを破ることは、1MWビームを達成する上で致命傷にはならないことを実験的にも実証した。

論文

Theoretical study of a waveguide THz free electron laser and comparisons with simulations

菖蒲田 義博; Chin, Y. H.*

Physical Review Accelerators and Beams (Internet), 19(9), p.094201_1 - 094201_24, 2016/09

AA2016-0265.pdf:0.52MB

 被引用回数:3 パーセンタイル:61.34(Physics, Nuclear)

導波管FELとは、アンジュレーターの周りにmm程度の極度にアパーチャーサイズの小さいチェンバーを用意して、そこに非相対論的なビームを通すことで、THzの光源として、利用しようというものである。このような導波管FELは、THzの光源として将来、有望視されている。ビームから出た光と導波管は相互作用するので、このような対象を理論として扱うには、この導波管の効果を取り入れることが大事である。著者らは、普段は、J-PARC RCSの運転安定化のためにビーム不安定性の研究を業務として行っているが、導波管FELで発振される光を、RCSでビームが金属真空容器に誘起する電磁場と同等のものと考えれば、ビーム不安定性の理論を導波管FELの光の増幅率の計算に利用できることに気がついた。このようにして、作った理論は、シミュレーション結果とよく一致し、信頼度の高いものであることがわかった。

論文

Triangle and concave pentagon electrodes for an improved broadband frequency response of stripline beam position monitors

菖蒲田 義博; Chin, Y. H.*; 高田 耕治*; 外山 毅*; 仲村 佳悟*

Physical Review Accelerators and Beams (Internet), 19(2), p.021003_1 - 021003_15, 2016/02

 被引用回数:0 パーセンタイル:100(Physics, Nuclear)

ビーム位置モニターの周波数特性は、モニターの電極形状に著しく依存する。しかし、モニターの電極形状を直方体から変化させると、その形状に応じて、電極自身を精度よく傾かせ、チェンバーと電極のインピーダンスの整合性を取らないと、電極形状が持つ周波数特性と有為性を維持できない。そこで、まず、セッティングが最も簡単な場合として、電極形状が三角の場合を考え、その周波数特性が、直方体の電極の場合に比べて、著しく改善することを実証した。次に、五角形の形状の電極を考えることで、三角の場合に生じた、低周波側でのオーバーシュートが改善することを実証した。さらに、電極の端を直角に曲げることで、電極形状によらず、周波数特性を改善させることができることを実証した。

論文

Resonance structures in the impedance of a ceramic break and the measured results

菖蒲田 義博; 外山 毅*; Chin, Y. H.*; 高田 耕治*

Proceedings of 54th ICFA Advanced Beam Dynamics Workshop on High-Intensity, High Brightness and High Power Hadron Beams (HB 2014) (Internet), p.74 - 78, 2015/03

Recently, we have developed a new theory to evaluate longitudinal and transverse impedances of any size of ceramic break sandwiched between metal chambers. The theory successfully reproduces the resonance structures in the impedance due to trapped modes inside the ceramic break. The comparisons between the theoretical and the simulation results such as ABCI and CST Studio show excellent agreements, indicating that they can be used as a good benchmark test for accuracy of simulation codes. To demonstrate the existence of such resonances, the transverse impedance of the ceramic break is measured using the wire-method. The measurement results reproduce the simulations well. The theory is particularly useful for the evaluation of the impedance of the ceramic break with titanium nitride coating.

論文

The Kicker impedance and its effect on the RCS in J-PARC

菖蒲田 義博; Saha, P. K.; 外山 毅*; 山本 昌亘; Chin, Y. H.*; 入江 吉郎*

Proceedings of 54th ICFA Advanced Beam Dynamics Workshop on High-Intensity, High Brightness and High Power Hadron Beams (HB 2014) (Internet), p.369 - 373, 2015/03

Measurements demonstrate that the kicker impedance dominates along the RCS. Based on a newly developed theory, the impedance is measured by observing the beam-induced voltages at the ends of power cable of the kicker. Toward one mega-watt goal, it is essential to take advantage of tune manipulations and the space charge damping effect. We propose the reduction scheme of the kicker impedance by attaching the resistors combined with four diodes in parallel at the ends of the kicker cables, to pursue the ultimate goal at the RCS.

論文

Impedance of a ceramic break and its resonance structures

菖蒲田 義博; Chin, Y. H.*; 高田 耕治*

Physical Review Special Topics; Accelerators and Beams, 17(9), p.091001_1 - 091001_41, 2014/09

 被引用回数:4 パーセンタイル:59.94(Physics, Nuclear)

A new theory is developed to evaluate longitudinal and transverse impedances of any size of ceramic break that is sandwiched between metal chambers. The theory has been numerically compared with the codes ABCI and CST studio. Excellent agreements are obtained with both codes, in particular with ABCI. The theory successfully reproduces resonance structures of the impedance due to trapped modes inside the ceramic break, which are enhanced by the difference of the dielectric constants between the ceramic and the surrounding space. Moreover, the theory can evaluate the impedance of the ceramic break with Titanium Nitride coating. We discuss several characteristics of the impedances, especially the difference between the impedances of the ceramic break covered with and without a conductive wall on its outer surface.

論文

Optimization of electrode shape for stripline beam position monitors

菖蒲田 義博; Chin, Y. H.*

Physical Review Special Topics; Accelerators and Beams, 17(9), p.092801_1 - 092801_8, 2014/09

 被引用回数:2 パーセンタイル:75.96(Physics, Nuclear)

The exponentially tapered beam position monitor (BPM) has been proposed by Linnecar to produce a flat and wide-band frequency response for beam position signals. However, it still has a large ringing fluctuation on the amplitude of the transfer function. This paper aims at improving the overall characteristics of the transfer function. With the help from the window function theory, we investigate the correlation between the shape of the electrode and the resulting transfer function. Finally, we propose a polynomial shape for the electrode that provides a much flatter response function. Three-dimensional results using the CST STUDIO are also presented to demonstrate the validity of the polynomial shape even in more realistic conditions.

論文

Coupling impedances of a short insert in the vacuum chamber

菖蒲田 義博; Chin, Y. H.*; 高田 耕治*

Proceedings of 46th ICFA Advanced Beam Dynamics Workshop on High-Intensity and High-Brightness Hadron Beams (HB 2010) (Internet), p.348 - 352, 2010/09

両端が完全導体で挟まれた抵抗性のパイプのインピーダンスの理論を完成させた。これにより、たとえスキンデプスがパイプの厚みを超えるような低周波になっても、抵抗性のパイプの厚みが数ナノメートルと極めて小さくなるまで、壁電流が流れ続けるということが明らかになった。言い換えると、抵抗性のパイプのインピーダンスは、従来のレジスティブウォールインピーダンスよりも、大きくなることが明らかになった。

論文

Coupling impedances of a resistive insert in a vacuum chamber

菖蒲田 義博; Chin, Y. H.*; 高田 耕治*

Physical Review Special Topics; Accelerators and Beams, 12(9), p.094401_1 - 094401_19, 2009/09

 被引用回数:6 パーセンタイル:53.32(Physics, Nuclear)

抵抗性のインサートのインピーダンスの理論を作った。これにより、インサートの厚みがスキンデプスより極めて薄くても、ビームに伴う壁電流はインサートを流れ続け、ビームパイプの外側の環境からビームはシールドされることがわかった。つまり、抵抗性のインサートのインピーダンスは抵抗性チェンバーのインピーダンスに比べて一般的に大きくなることがわかった。

論文

Coupling impedances of a gap in vacuum chamber

菖蒲田 義博; Chin, Y. H.*; 高田 耕治*

Physical Review Special Topics; Accelerators and Beams, 10(4), p.044403_1 - 044403_17, 2007/04

 被引用回数:7 パーセンタイル:47.1(Physics, Nuclear)

We will present the formulae for the longitudinal and transverse impedances due to a gap in the beam chamber. In this process, we will derive the complete solutions of electro-magnetic fields effective in the entire region, including the inside and outside of the chamber, in the form that they can be easily numerically evaluated. The numerical results of impedances are consistent with the ABCI results and their behavior in high frequency agrees well with the prediction of the diffraction theory. Our theory can also accurately reproduce the behavior of the impedance near and above the cut-off frequencies. In addition, our theory is applicable even to the impedances for non-relativistic beams. We found that the broadband impedance of the small cavity-like structure can be estimated from the gap size and the chamber radius only. We also found that the transverse impedance of a gap has a large resonance peak at the frequency where the wavelength is equal to the chamber circumference.

論文

The Impedance of the ceramic chamber in J-PARC

菖蒲田 義博; Chin, Y. H.*; 大見 和史*; 外山 毅*

Proceedings of 2005 Particle Accelerator Conference (PAC '05) (CD-ROM), p.1898 - 1900, 2005/00

J-PARCのRCS(Rapid Cycle Synchrotron)では、セラミックチェンバーを採用している。セラミックを使う理由は、ビームが引き起こす渦電流を回避するためである。また、このチェンバーの外側は、ビームが引き起こす電磁場がそとに漏れ出さないように、銅のストライプで覆われており、内側は、二次電子の放出を押さえるためにTiNでコーティングされている。ビームの不安定性を議論するためにこのようなセラミックチェンバーのインピーダンスを知っておく必要がある。従来の検討では、このインピーダンスを計算する際、簡単のため、銅のストライプを完全導体のパイプに置き換えて議論している。この論文では、銅のストライプやTiNの抵抗についても考慮しながら、銅のストライプの部分をさらに現実的に扱い、以前の評価が妥当であるかを検討した。

報告書

Dynamic behavior of transport in normal and reversed shear plasmas with internal barriers in JT-60U

Neudatchin, S. V.; 滝塚 知典; 白井 浩; 藤田 隆明; 諫山 明彦; 鎌田 裕; 小出 芳彦; Dnestrovskij, Y. N.*

JAERI-Research 2001-056, 32 Pages, 2001/12

JAERI-Research-2001-056.pdf:1.31MB

JT-60U中の内部輸送障壁(ITB)を持つ正及び負磁気シアプラズマ中の速い時間スケールとゆっくりした時間スケールの時間発展を調べた。弱いITBにおいて時間的に急激で空間的に広がりのある変動が、電子とイオンの熱拡散係数$$chi$$に生じる。強いITBを持つ負磁気シア(RS)プラズマ中では、$$chi$$の変動はITBの足部近傍に局在化する。さまざまなRSプラズマにおいて、安全係数がほぼ最小になるところで熱流束の変動が最大となる。$$chi$$の急変及び鋸歯的崩壊によって誘起される熱パルス伝搬を解析し、強いITB領域内では$$chi$$の値は小さく熱ピンチはないことを確かめた。また、ELMで引き起こされるH-L遷移時とその回後のL-H遷移時の$$chi$$の急激変動は、RSプラズマの弱いITB領域より内側の負シア領域にわたって非局在的に起きる。

論文

Dynamic behavior of transport in normal and reversed shear plasmas with internal barriers in JT-60U

Neudatchin, S. V.; 滝塚 知典; Dnestrovskij, Y. N.*; 白井 浩; 藤田 隆明; 諫山 明彦; 鎌田 裕; 小出 芳彦

Proceedings of IAEA 18th Fusion Energy Conference (CD-ROM), 5 Pages, 2001/00

JT-60U中の正磁気シアと負磁気シアのプラズマにおいて、内部障壁と輸送の動的挙動を調べた。その挙動は、各種の速い現象と緩やかな現象の組み合わせから成る。時間的に急速で空間的に巾広い(小半径の30%程度)範囲に亘る、電子とイオンの熱拡散係数の変動が、正シア及び負シアプラズマ中の内部障壁近傍で発生することを明らかにした。この急激な熱拡散係数変動に伴う、内部障壁内の熱パルス伝播を解析することにより、内向きと外向きの伝播ともに拡散的であることを確認し、その拡散係数の値は非常に小さくなっていることを明らかにした。負磁気シアプラズマにおいて、ELMにより誘起されるL-H遷移があるとき、プラズマ周辺の変動が瞬時に内部障壁まで影響を及ぼし急激な熱拡散係数の変動をもたらすことを見いだした。

口頭

Results of the variable toroidal field ripple experiments in JET

Saibene, G.*; McDonald, D. C.*; Beurskens, M.*; Salmi, A.*; Lonnroth, J. S.*; Parail, V.*; de Vries, P.*; Andrew, Y.*; Budny, R.*; Boboc, A.*; et al.

no journal, , 

本発表は0.08%から約1%までトロイダル磁場リップルの振幅を変化できるJETにおけるリップル実験の結果を報告するものである。リップルがペデスタルとコアプラズマに与える影響をq$$_{95}$$=3$$sim$$3.6のELMy Hモードプラズマで測定した。Hモード特性の変化は明確であるが、閉じ込め性能が劣化する物理機構は明確でない。プラズマ密度の減少や閉じ込め性能劣化は0.5%程度のリップルで観測されるが、その閾値はプラズマパラメータで変化する。リップルはペデスタル圧力とELMにも影響を与える。また、プラズマ回転もリップルの影響を強く受ける。

口頭

完全導体に挟まれた抵抗性のパイプが持つインピーダンス

菖蒲田 義博; Chin, Y. H.*; 高田 耕治*

no journal, , 

以前、完全導体のパイプにギャップのある場合のインピーダンスの理論を完成させたが、今回この理論を発展させ、このギャップの部分に抵抗性の物質がある場合のインピーダンスの理論を完成させた。この理論から、完全導体に挟まれた抵抗性のパイプが持つインピーダンスが、一般に従来のレジスティブウォールの理論を使ったインピーダンスの評価より大きくなることが明らかになった。

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